專利名稱：移動檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航技術(shù)，用于從GPS(全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星接收電波信號，來檢測如一個車輛或一個人等一個移動物體的一個位置和一個前進方向，本發(fā)明尤其涉及一種移動檢測裝置，可以在難以接收GPS衛(wèi)星電波的一個地方，例如在一個隧道中，在高層建筑中或一個高架鐵路下面執(zhí)行高精度自動導(dǎo)航。
人們知道，一個移動檢測裝置將檢測一個移動物體的一個移動量的一個移動量傳感器，與從GPS衛(wèi)星接收到的GPS信號結(jié)合起來，來實時檢測該移動物體的當(dāng)前位置和速度，并顯示它們。該類型的移動檢測裝置，在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中可用作位置及類似數(shù)據(jù)的一個傳感器單元。常規(guī)的用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中的移動檢測裝置，包括例如一個GPS天線和一個GPS接收器，用于從GPS衛(wèi)星接收GPS信號，一個作為移動量傳感器例子的一個車胎的一個轉(zhuǎn)動檢測器，和一個算術(shù)單元，用于基于GPS接收器發(fā)送的GPS信號，計算一個車輛的絕對位置，絕對速度和絕對方位，并基于轉(zhuǎn)動檢測器測量的車胎轉(zhuǎn)速計算該車輛的相對速度及行駛距離，同時基于計算結(jié)果修正絕對位置等。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)存地圖數(shù)據(jù)并將算術(shù)單元的計算結(jié)果數(shù)據(jù)疊加顯示在地圖上。
在這種結(jié)構(gòu)的移動檢測裝置中，因為車輛的絕對位置等可基于GPS信號得出，并且車輛的速度和行駛距離可從轉(zhuǎn)動檢測器測量的轉(zhuǎn)速得出，這樣有利于比僅使用GPS或轉(zhuǎn)動檢測器的情形更精確地檢測該車輛的移動數(shù)據(jù)。
然而在常規(guī)移動檢測裝置中，因為僅有移動量傳感器可以在不能接收GPS信號的一個地方工作，例如在建筑物中，在一個隧道中或在一個森林中，這樣移動數(shù)據(jù)的精度相對較低。并且在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)情形中，如果車輛行駛中車胎停轉(zhuǎn)或是移動量傳感器在與車胎的一個接觸部分停止工作，移動量傳感器的測量結(jié)果就與實際移動數(shù)據(jù)不同。而且一個用戶可能識別不出這種情況的發(fā)生。這樣出現(xiàn)移動檢測裝置操作可靠性降低的情況。
同時，在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中使用移動檢測裝置時，用于作為移動量傳感器的轉(zhuǎn)動檢測器中信號的標準，沒有用作所有車輛的標準。例如當(dāng)車胎形狀，大小或安裝位置不同時，就在測量結(jié)果中產(chǎn)生一個差別。這樣就存在一個問題，即在安裝系統(tǒng)時關(guān)鍵在于調(diào)整車輛以滿足轉(zhuǎn)動檢測器的信號標準?；蛘邔γ總€車輛調(diào)整轉(zhuǎn)動檢測器，這樣系統(tǒng)安裝費用不能降低。
為完成上述目的，本發(fā)明提供了一種移動檢測裝置。它包括GPS算術(shù)裝置，用于基于GPS信號產(chǎn)生第一移動數(shù)據(jù)，第一移動數(shù)據(jù)包括一個移動物體的一個絕對位置，一個絕對速度和一個絕對方位的變元；一個內(nèi)置傳感器，用于檢測該移動物體的一個行駛方向上產(chǎn)生的一個加速度，以及相對于行駛方向具有一個固定傾角的一個軸所產(chǎn)生的一個角速度；從內(nèi)置傳感器測量的加速度和角速度產(chǎn)生第二移動數(shù)據(jù)的裝置，第二移動數(shù)據(jù)包括該移動物體的一個相對位置，一個相對速度和一個相對方位的變元；算術(shù)控制裝置，用于基于交互數(shù)據(jù)修正第一和第二移動數(shù)據(jù)，并通過計算產(chǎn)生該移動物體的實際移動數(shù)據(jù)，包括一個實際位置，一個實際速度和一個實際方位。
算術(shù)控制裝置，如可在正常接收GPS信號時保持所產(chǎn)生的計算結(jié)果數(shù)據(jù)，并在不能接收GPS信號時，利用保持的計算結(jié)果數(shù)據(jù)得出移動物體的實際移動數(shù)據(jù)。算術(shù)控制裝置包括離心力修正裝置，用于修正相對于基于實際速度和角度速度的實際速度的一個離心力所產(chǎn)生的一個影響，以及修正裝置，用于分別從絕對速度和相對速度的一個差別，及絕對方位和相對方位的一個差別中，得出源于內(nèi)置傳感器漂移的誤差，并基于得出的誤差分別修正相對速度和相對方位。
特別地，算術(shù)控制裝置包括一個速度算術(shù)處理部分，一個方位算術(shù)處理部分和一個位置算術(shù)處理部分。
(1)速度算術(shù)處理部分包括下列部分(1-1)用于從通過對絕對速度和相對速度的一個濾波器組合得到的一個組合速度的一個變化得出一個第一移動加速度的裝置；
(1-2)用于通過從加速度數(shù)據(jù)中減去第一移動加速度得出一個第一重力加速度的裝置；(1-3)用于轉(zhuǎn)換通過將角速度數(shù)據(jù)量到一個第二重力加速度中轉(zhuǎn)換的角度數(shù)據(jù)的裝置；(1-4)用于基于一個參考傾角將通過第一和第二重力加速度的一個濾波器組合得到的一個第三重力加速度，轉(zhuǎn)換成一個第四重力加速度的裝置；(1-5)用于得出第一和第四重力加速度之間的一個誤差的裝置；和(1-6)用于根據(jù)該誤差修正第二重力加速度，通過修正后從加速度數(shù)據(jù)中，減去一個重力加速度，得出一個第二移動加速度，并通過積分第二移動加速度得出一個實際速度的裝置。
絕對速度和相對速度的濾波器組合，及第一和第二重力加速度的濾波器組合，在通過不同帶寬的兩種濾波器后，各自具有一個數(shù)值組合的形式。
(2)方位算術(shù)處理部分包括下列部分(2-1)用于通過絕對方位和相對方位每單位時間的一個變化的一個濾波器組合，得出一個組合的相對方位的裝置；和(2-2)用于選擇輸出通過將基于后續(xù)更新的絕對方位和相對方位得到的組合相對方位，累加至絕對方位得到的一個第一實際方位，和通過累加相對方位和第一實際方位得到的一個第二實際方位的裝置。
絕對方位和相對方位每單位時間變化的濾波器組合，在通過兩種不同帶寬的濾波器后，具有數(shù)值組合的形式。
(3)位置算術(shù)處理部分包括下列部分(3-1)用于通過積分實際速度而得出一個移動距離，和基于移動距離和實際方位得出一個經(jīng)度變化值和一個緯度變化值的裝置；和(3-2)用于通過利用經(jīng)度變化值和緯度變化值在無更新期間，修正后續(xù)更新的絕對位置而得出實際位置的裝置。
如上述安裝算術(shù)控制裝置，就能正確得到移動物體的位置，速度和方位等數(shù)據(jù)，而與移動物體的一個種類或一個移動條件無關(guān)，例如與是否在不能接收GPS信號的地方移動無關(guān)。


圖1顯示本發(fā)明的一個移動檢測裝置的一個結(jié)構(gòu)例。
圖2是一個速度算術(shù)處理部分的一個功能框圖。
圖3是一個方位算術(shù)處理部分的一個功能框圖。
圖4是一個位置算述處理部分的一個功能框圖。
圖5顯示三個正交軸方向之間的一個關(guān)系和一個移動物體的一個前進方向。
圖6(a)和(b)是顯示加速度數(shù)據(jù)中得到的一個移動加速度和一個重力加速度之間一個關(guān)系的例圖。
圖7是考慮GPS信號的一個影響，產(chǎn)生一個正確移動加速度的一個處理的一個例圖。
圖8是顯示組合兩種重力加速度的一個處理的一個例圖。
圖9是顯示在一個參考軸的一個方向上一個誤差的一個計算處理的一個例圖。
圖10是當(dāng)不能獲得GPS信號時，計算實際速度的一個處理的一個例圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一個移動檢測裝置的一個使用狀態(tài)例圖。
圖12是根據(jù)該實施例的移動檢測裝置的一個結(jié)構(gòu)圖。
圖13是根據(jù)該實施例的一個內(nèi)置傳感器的一個結(jié)構(gòu)例的內(nèi)視圖。
圖14是該實施例中一個算術(shù)控制部分的一個功能框圖。
圖15說明了該實施例中絕對位置一個計算處理。
圖16說明了該實施例中絕對方位的一個計算處理。
圖17說明了該實施例中一個修正處理。
圖1是顯示本發(fā)明的一個移動檢測裝置的一個實施例的一個結(jié)構(gòu)圖。
移動檢測裝置包括一個GPS接收器2，用于將在一個GPS天線1上接收到的GPS信號，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字數(shù)據(jù)，如以經(jīng)度和緯度形式的位置數(shù)據(jù)，和代表絕對速度和絕對方位的可用于自動導(dǎo)航的數(shù)據(jù)，并將它們輸出；一個算術(shù)控制部分了，一個內(nèi)置傳感器5，一個通過連續(xù)輸入執(zhí)行備份的備份存儲器6，和一個數(shù)據(jù)輸出部分7。
算術(shù)控制部分3包括一個數(shù)字接收部分31，用于從GPS接收器2接收串行數(shù)據(jù)，以將它們轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，包括一個模擬接收部分32，用于從內(nèi)置傳感器5接收模擬數(shù)據(jù)，包括一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換部分(A/D數(shù)據(jù)部分)33，且于將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)，包括一個噪聲消除部分34，用于消除數(shù)字數(shù)據(jù)中的噪聲成分，還包括一個算術(shù)處理部分4，用于計算一個移動物體的實際速度，實際方位和實際位置。數(shù)字接收部分31包括一個GPS監(jiān)視部分31a，用于通過判斷GPS信號一個狀態(tài)信號的有無和GPS信號更新的有無來確定是否能正常接收GPS信號。GPS監(jiān)視部分31a的監(jiān)視結(jié)果送到算術(shù)處理部分4。
內(nèi)置傳感器5測量參照相對移動物體所設(shè)置的三維軸(x-，y-，z-軸)產(chǎn)生的加速度和角速度，例如內(nèi)置傳感器5包括三個加速計51a～51c，三個角速度計52a～52c，和一個用于放大此處測量結(jié)果的放大器53。最好將這些儀器安置在彼此嚴格正交的三個軸上。然而如果三軸不是彼此嚴格正交或彼此斜交的三軸相對該移動物體放置，可利用適當(dāng)參數(shù)修正測量值。另外因為測量該移動物體的一個前進方向上產(chǎn)生的加速度和對于相對前進方向有一個固定偏角的軸產(chǎn)生的角速度已經(jīng)足夠，所以需要至少一個加速計和至少兩個角速度計。
被放大器53放大的測量結(jié)果，經(jīng)由模擬接收部分53傳送給A/D轉(zhuǎn)換部分33，以轉(zhuǎn)換為適于算術(shù)處理部分4中算術(shù)處理的數(shù)字信號。同時其中的噪聲成分通過噪聲消除部分34消除，結(jié)果數(shù)字信號存貯在備份存儲器6中，可以順序更新。
算術(shù)控制部分3中的算術(shù)處理部分4是一種可編程數(shù)字處理器，用于在指定時間讀出存儲在備份存儲器6中的數(shù)據(jù)，以計算關(guān)于該移動物體的實際速度，實際方位和實際位置的數(shù)據(jù)，接著適當(dāng)?shù)貙⑺阈g(shù)處理結(jié)果存貯在備份存儲器6中。
為方便起見，速度的計算由一個具有圖2所示一種結(jié)構(gòu)的速度算術(shù)處理部分41執(zhí)行，方位的計算由一個具有圖3所示一種結(jié)構(gòu)的方位算術(shù)處理部分42執(zhí)行，位置的計算由一個具有圖4所示一種結(jié)構(gòu)的位置算術(shù)處理部分43執(zhí)行。數(shù)據(jù)輸出部分18輸出算術(shù)控制部分3的輸出數(shù)據(jù)給一個顯示單元或一個后續(xù)處理部分。
下面將詳細描述移動檢測裝置中，產(chǎn)生該移動物體的實際速度，實際方位和實示位置的各部分的操作，其中假設(shè)，如圖5所示，該移動物體的一個前進方向是在X-軸上，在包含該移動物體前進方向的平面中，垂直于該物體前進方向的一個方向設(shè)為Y-軸，并且垂直于X-軸和Y軸所定義平面的一個方向設(shè)為Z-軸。
(1)移動物體的實際速度當(dāng)移動物體沿一定方向前進時，如圖6(a)和(b)所示，加速計51a～51c所測量的加速數(shù)據(jù)，包括一個由移動物體由姿態(tài)角(相對參照軸的偏角)產(chǎn)生的重力加速度g(＝A/sinθ)，和移動方向上該移動物體的實際速度產(chǎn)生的一個移動加速度EX(＝B/cosθ)。相應(yīng)地，加速度數(shù)據(jù)顯示了圖6(a)所示加速度數(shù)據(jù)A(＝g·sinθ)和圖6(b)所示加速度數(shù)據(jù)B(＝EX·cosθ)的一個組合值。在這種情況中，移動物體沿X-軸的速度可通過從作為加速計51a～51c輸出數(shù)據(jù)的加速度數(shù)據(jù)(A+B)中，僅提取移動加速度EX而得到。作為角速度計輸出數(shù)據(jù)的角速度數(shù)據(jù)，主要用于產(chǎn)生一個偏角θ，用于排除重力加速度。
下面參照圖2描述根據(jù)這一原則的速度算術(shù)處理部分41的一個操作。為方便起見，僅對X-軸作一個說明，而且可以類似地應(yīng)用于Y-或Z-軸。
首先，當(dāng)能正常接收GPS信號時，產(chǎn)生一個誤差ε。
假定前進方向(X-軸方向)上，基于GPS信號產(chǎn)生的絕對速度設(shè)為VGX，X-軸方向上加速計51a測量的加速度數(shù)據(jù)設(shè)為AX，角速度計52b測量的，相對Y-軸的角速度數(shù)據(jù)設(shè)為q，X-軸相對于水平面的偏角設(shè)為θ。
如圖7所示，在為與GPS信號(S101)進行一個相位匹配而確定的一個給定延遲時間結(jié)束時，速度算術(shù)處理部分41第一次讀出存貯在備份存儲器6中的加速度數(shù)據(jù)AX，產(chǎn)生一個X-軸相對于水平方向(S102)的偏角θ。接著產(chǎn)生高頻(短周期)的一個重力加速度B。偏角θ可通過在積分電路41a上每周期Δt，相對Y-軸的角度速q作定積分而得出。重力加速度β可通過在一個正弦函數(shù)電路41b計算偏角θ而得出(地球重力加速度g設(shè)為1)。然后，通過加速度數(shù)據(jù)AX和前述偏角θ(S103)可得出X-軸方向上的一個移動加速度。移動加速度EX可通過計算從圖6(a)和(b)所看到的下列方程式(1)而得出EX＝(AX-sinθ)×1/cosθ…(1)速度算術(shù)處理部分41，通過一個復(fù)合濾波器41d，將一個通過每單位周期Δt，在一個積分電路41c上對移動加速度EX作定積分而得到的相對速度VX，和一個基于GPS信號(S104和S105)得到的絕對速度VGX組合起來。特別是，從GPS信號中得到的絕對速度VGX每單位時間，如每秒作更新，這樣由相對速度VX補充，直到下一次更新。絕對速度VGX和相對速度VX分別通過一個低通濾波器和一個高通濾波器，組合起來產(chǎn)生組合速度，這樣絕對速度VGX用于低頻成分(長周期)的速度改變，而相對速度VX用于高頻成分(短周期)的速度改變。這樣產(chǎn)生的組合速度對前述周期Δt微分，考慮到GPS(S106)，產(chǎn)生一個修正移動加速度EGX。
下面如圖8所示，通過在一個減法器41f(S210)中，從加速數(shù)據(jù)AX中減去移動加速度EGX，來得到一個低頻(長周期)重力加速度α，同時得到前述高頻(短周期)重力加速度β(S202)。這樣兩個重力加速度α和β通過一個復(fù)合濾波器41g組合起來，以產(chǎn)生一個相對X-軸的組合重力加速度ax(S203)。組合重力加速度ax的轉(zhuǎn)換，例如，轉(zhuǎn)換到歐拉坐標系統(tǒng)，在一個姿態(tài)角轉(zhuǎn)換部分41h中執(zhí)行，以產(chǎn)生一個姿態(tài)角，即x-軸相對于參考軸的一個偏角(這里用θx給出)。
接著，如圖9所示，前述偏角θx被輸入給一個正弦函數(shù)電路41i，以產(chǎn)生一個重力加速度βx(S301)，該重力加速度βx和前述重力加速度α被輸入一個減法器41j，以產(chǎn)生它們之間的一個差值。然后該差值作為一個誤差ε(＝α-βx)存入備份存儲器6(S302)。前述誤差的產(chǎn)生也可類似地在Y-或Z-軸方向上執(zhí)行。
現(xiàn)在參照圖10，描述不能得到GPS信號時計算實際速度的一個方法。盡管只對計算x軸方向上實際速度的一個方法作出說明，它也可類似地運用到Y(jié)-或Z-軸的實際速度上。
速度算術(shù)處理部分41在前述時刻，從備份存儲器6中，讀出內(nèi)置傳感器5測量的、相對于Y-軸的角速度數(shù)據(jù)q(S401)，通過在一個積分電路41k積分角速度數(shù)據(jù)q，得到X-軸相對于水平方向的一個偏角θ(S402)。接著該偏角θ傳送給一個正弦函數(shù)電路41l，以轉(zhuǎn)換為一個重力加速度β＝sinθ(S403)。然后，通過一個加法器41m和一個減法器41n，從X-軸方向的加速度數(shù)據(jù)AX，減去重力加速度β和前述誤差ε，得出X-軸方向上的一個移動加速度EXoff(S404)，進一步，通過在一個積分電路410，積分移動加速度EXoff，得到一個實際速度Vm(S405)。
另外，在能正常接收GPS信號時，應(yīng)利用在GPS接收器2得到的絕對速度VGX作為實際速度Vm或通過積分前述修正移動加速度EGX得出實際速度Vm。在圖2中，采用前者。
當(dāng)不能正常接收GPS信號時，輸出數(shù)據(jù)切換到積分電路410。這一切換基于數(shù)字接收部分31中GPS監(jiān)視部分31a的監(jiān)視結(jié)果而執(zhí)行。
(2)移動物體的方位下面參照圖3描述方位算術(shù)處理部分42的一個操作。
當(dāng)能正常接收GPS信號時，方位算術(shù)處理部分42，在一個變化檢測部分42a，每單位時間檢測絕對方位ψG(相對地軸的角度)的一個變化成分，該值基于GPS信號得出。當(dāng)GPS信號能收到時，該絕對方法ψG每單位時間，如每秒，得到更新。另外，作為相對上一周期的一個變化的一個方位角ψI，基于內(nèi)置傳感器5測量的加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)得出。假定考慮到絕對方位角ψG，第n個得出的當(dāng)前絕對方位由ψG(n)表示，上一個絕對方位為ψG(n-1)，兩者之差為ΔψG＝ψG(n)-ψG(n-1)。ΔψG和ψI通過一個復(fù)合濾波器42b組合，這樣低頻(長周期)代表ΔψG，高頻(短周期)代表ψI，以產(chǎn)生一個相對方位ψ。相對方位ψ在相加器41c疊加到當(dāng)前絕對方位ψG，這樣輸出一個下式(2)給出的實際方位ψmψm＝ψG(n)+ψ …(2)另外，當(dāng)不能接收GPS信號時，方位算術(shù)處理部分42輸出下式(3)給定的一個實際方位ψmψm＝ψm+ψI …(3)特別地，通過將后續(xù)更新的相對方位ψI疊加到上次實際方位ψm，得出當(dāng)前實際方位ψm。
(3)移動物體的位置下面參照圖4描述位置算術(shù)處理部分43的一個操作。
當(dāng)能正常接收GPS信號時，位置算術(shù)處理部分43通過在一個積分電路43a，每周期Δt積分前述實際速度ψm得出一個移動距離D，并將移動距離D和前述方位ψm輸入給一個正弦函數(shù)電路43b和一個余弦函數(shù)電路43c。另外，GPS信號中的位置數(shù)據(jù)，包括一個緯度LOG和一個經(jīng)度LAT，每單位時間(一秒)更新，它們被分別輸入給一個緯度修正部分43d和一個經(jīng)度修正部分43e。直到下次更新，緯度修正部分43d和經(jīng)度修正部分43e基于方位ψm和移動距離D，執(zhí)行修正操作。特別地，設(shè)地球半徑為R，利用上一緯度LOG(n-1)和上一經(jīng)度LAT(n-1)，通過下式(4)得出當(dāng)前緯度LOG(n)和當(dāng)前經(jīng)度LAT(n)LOG(n)＝LOG(n-1)+(D×cosψm)×1/{2πR×cos(LOG(n-1))}LAT(n)＝LAT(n-1)+(D×sinψm)×1/{2πR×cos(LOG(n-1))}另外，即使不能正常接收GPS信號，移動距離D和方位ψm也可以由前述方式得出，這樣可從上一緯度和經(jīng)度得出當(dāng)前緯度LON(n)和經(jīng)度LAT(n)。得出的經(jīng)度和緯度順序存貯在備份存儲器6中。
如上所述，根據(jù)該實施例，可在任何時間從備份存儲器6中，得到該移動物體的速度Vm，位置LOGn，LATn和方位ψm等數(shù)據(jù)。此外，按照這一目的，可從這些數(shù)據(jù)中任意選取所需數(shù)據(jù)。另外，即使在掉電情況下，備在存儲器6可讀出和利用上次數(shù)據(jù)。
為更詳細說明本發(fā)明的移動檢測裝置，下面顯示一個例子，其中移動檢測裝置，如常規(guī)裝置一樣，用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中，它能得出車輛速度數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)，并將本車輛的夠動數(shù)據(jù)顯圖示出來。
圖11是一個例圖，顯示車輛中移動檢測裝置的一個安裝狀態(tài)。該實施例中的移動檢測裝置包括一個GPS天線1，一個GPS接收器2，一個算術(shù)控制部分30和一個內(nèi)置傳感器50。在算術(shù)控制部分30得出的速度數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)輸出給一個汽車導(dǎo)航系統(tǒng)60，該系統(tǒng)安裝在，例如司機座上。
GPS天線1接收GPS信號，它包括來自GPS衛(wèi)星(未示出)的固定軌道信號和信號發(fā)射時間信號。接收到的GPS信號通過一個天線電纜傳送到GPS接收器2。GPS接收器2包括一個接收部分21，一個位置計算部分22和一個數(shù)字I/F23。GPS接收器2對GPS天線1接收到的GPS信號進行每單位時間，如每秒的抽樣，從每單位時間位置的變化得出絕對數(shù)據(jù)，其中包括車輛的絕對速度和絕對方位，然后通過數(shù)字I/F23輸出絕對數(shù)據(jù)到算術(shù)控制部分30。數(shù)字I/F23可以是例如RS 232C接口。
一般地，GPS位置測量精度(位置精度)，在對公眾開放的CA模式下是較低的，其誤差為大約100m。另外，GPS接收器可以通過從每單位時間相對精度中提取一個位置，來提高絕對速度和絕對方位的精度。
如圖13所示，內(nèi)置傳感器50包括一個加速計51和兩個角速度計52a和52b。加速計51可如下安置，它由半導(dǎo)體工藝制成，固定在板53上，該板水平安放在內(nèi)置傳感器50盒內(nèi)，并在一個水平軸上(X-軸)，該軸沿車輛行駛方向延伸，這樣檢測車輛行駛方向上(前進方向，后退方面)的加速度。角速度計52a，52b例如可分別是振動回轉(zhuǎn)儀的形式。第一角速度計(俯仰測量回轉(zhuǎn)儀)安放在板53上，以檢測相對一個水平軸(Y-軸)的角速度，該軸正交于加速計51的水平軸(X-軸)。第二角度速計(方位測量回轉(zhuǎn)儀)52b固定在板53上，以檢測相對于垂直于X-軸的一個垂直軸(Z-軸)的一個角速度。檢測到的加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，通過一個電纜輸出給算術(shù)控制部分30。
算術(shù)控制部分30包括一個數(shù)字I/F 35，一個模擬I/F 36，一個外部I/F 37，一個CPU 38和一個存儲器39。數(shù)字I/F 35從GPS接收器2接收數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬I/F 36高速處理從內(nèi)置傳感器50輸出的模似數(shù)據(jù)(加速數(shù)據(jù)，角速度數(shù)據(jù))，它還包括一個放大器和一個A/D轉(zhuǎn)換器，用于將一個放大后的信號數(shù)字化。
CPU 38是一個數(shù)字處理器，它根據(jù)存貯在存儲器39中給定的程序，對被前述模擬I/F 36(A/D轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)進行算術(shù)處理，以實現(xiàn)前述速度算術(shù)處理部分41、方位算術(shù)處理部分42和位置算術(shù)處理部分43的功能。當(dāng)GPS接收器2正常接收GPS信號時，通過數(shù)字1/F 35輸入的絕對速度和絕對方位，和基于從內(nèi)置傳感器50獲得的加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)而得出的相對速度和相對方位，利用交互數(shù)據(jù)修正以得出高精度的實際速度和實際方法。絕對速度可用作實際速度。
另外，當(dāng)GPS接收器2不能正常接收GPS信號時，如果車輛在隧道中時，這樣來自GPS衛(wèi)星的電波就接收不到，將正常接收GPS信號時修正和計算而得出相對速度和相對方位，用作實際速度和實際方位。
提供外部I/F37用于通過前述CPU 38計算而得到的不同數(shù)據(jù)，它以匹配相聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)60的方式工作。
現(xiàn)在參考圖14描述該實施例移動檢測裝置的一個實際操作。
內(nèi)置傳感器50的加速計51測量的加速度數(shù)據(jù)，和來自俯仰測量第一角速度計52a的角速度數(shù)據(jù)，被輸入給CPU 38的一個噪聲消除部分38a，在其中噪聲成分，如溫度漂移等被消除，之后輸入給一個相對速度算術(shù)處理部分38b。相對速度算術(shù)處理部分38b產(chǎn)生相對速度(VX，VY，VZ)，并送到一個參照算術(shù)處理部分38c。輸入?yún)⒄账阈g(shù)處理部分38c的還有本身GPS接收器2的速度計算數(shù)據(jù)，即絕對速度(VGX，VGY，VGZ)。
如圖15所示，盡管每單位時間(一秒)得出的絕對位置包括一個誤差ΔP，因為該誤差可以在每單位時間測量的絕對位置(P1，P2，P3…)中抵銷，如P1+ΔP，P2+ΔP，P3+ΔP…，可增強精確度。下式(5)顯示這一點VGX(VGY，VGZ)＝(P2+ΔP)-(P1+ΔP)＝P2-P1…(5)另外，來自方位測量第二角速度計52b的相對Z-軸的角速度數(shù)據(jù)被輸入給一個噪聲消除部分38g，在其中消除噪聲。然后，在一個相對方位算術(shù)處理部分38h得出一個相對方位ψI，并送到一個參照方位算術(shù)處理部分38i。此處得出的一個相對方位ψI表示相對Z-軸車輛的一個旋轉(zhuǎn)角度。同樣輸入?yún)⒄辗轿凰阈g(shù)處理部分38i的還有來自GPS接收2的方位計算數(shù)據(jù)，即絕對方位ψG。如圖16所示，因為每單位時間(一秒)得出的絕對位置P包括一個誤差ΔP，基于每單位時間測量的絕對位置P，如P1+ΔP，P2+ΔP，P3+ΔP…，而得出的絕對的方位ψG可由下式(6)給出ψG＝arctan(((P2+ΔP)Y-(P1+ΔP)Y)×1/((P2+ΔP)X-(P1+ΔP)X)＝arctan((P2Y-P1Y)×1/(P2X-P1X)) …(6)如上所述，因為誤差ΔP被抵消，可得出高精度的絕對方位ψG。(P2+ΔP)Y代表P2+ΔP的一個Y方向成分，而(P2+ΔP)x代表P2+ΔP的一個X方向成分。它們分別對應(yīng)地圖上的緯度和經(jīng)度。
參照速度算術(shù)處理部分38c修正按前述方式得出的相對速度和絕對速度，并通過一個車輛速度輸出部分38d，將結(jié)果輸出給汽車導(dǎo)航系統(tǒng)60，作為實際速度Vm。另外，參照方位算術(shù)處理部分38i修正相對方位和絕對方位，并將結(jié)果通過一個方位輸出部分38j輸出給汽車導(dǎo)航系統(tǒng)60，作為實際方位ψm。
由參照速度算術(shù)處理部分38c和參照方位算術(shù)處理部分38i執(zhí)行的修正如同前面描述的一樣。
特別地，當(dāng)能正常接收GPS信號時，基于GPS信號，作為低頻成分，從GPS接收器2得出的絕對速度，和基于來自內(nèi)置傳感器50的數(shù)據(jù)，作為高頻成分，由相對速度算術(shù)處理部分38b得出的相對速度通過濾波器組合起來。如普通回旋儀一樣，第一和第二角速度計52a和52b有一個特別問題，即它們的角速度數(shù)據(jù)檢測結(jié)果容易漂移?？紤]到這種情況，一個誤差反饋處理部分38e對參照速度算術(shù)處理部公38c產(chǎn)生的相對速度，進行一個精度修正的消除漂移的一個影響。
例如如圖17所示，當(dāng)能正常接收GPS信號時，誤差反饋處理部分38e將一個時間平均部分39q中作時間平均的一個相對速度，與一個時間平均部分38p中作時間平均的一個絕對速度進行比較，并認為兩者之差是由第一角速度計(俯仰測量回旋儀)52a的一個漂移引起的。第一角速度計52a的補償?shù)囊粋€漂移在一個補償估值部分38r中進行估值，通過估計的補償，前述漂移被清除，而完成了相對速度的精確修正。
對方位也執(zhí)行類似修正。特別地，當(dāng)能正常接收GPS信號時，基于GPS信號，作為低頻成分而得出的絕對方位，和基于角速度數(shù)據(jù)，作為高頻成分，由相對方位算術(shù)處理部分38h得出的相對方位，通過濾波器組合起來，以產(chǎn)生高精度實際變位ψm。
此外，當(dāng)能接收GPS信號時，一個漂移修正處理部分38k比較一個時間平均相對方位和一個時間平均絕對方法，并認為兩者之間是由第二角速度計(方位測量回轉(zhuǎn)儀)52b的一個漂移引起的。一個補償?shù)钠票还烙嫵鰜?，通過估計的補償消除了漂移，而執(zhí)行相對方位的精度修正。
當(dāng)改變車輛行駛方向時，車輛由產(chǎn)生的離心力而外傾，這樣內(nèi)置傳感器50同樣傾斜。當(dāng)車輛速度較低時，傾斜很小，這樣由于離心力而給內(nèi)置傳感器50的影響也較小。然而，當(dāng)車輛速度很高時，傾斜增大，由于離心力而給內(nèi)置傳感器50的影響不能忽略?？紤]這一點，最好在相對速度算術(shù)處理部分38b和相對方位算術(shù)處理部分38h之間提供一個離心力修正處理部分38。離心力修正處理部分38從參照速度算術(shù)處理部分38c產(chǎn)生的實際速度和由第二角速度計52b測量的角速度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，驗證離心力的一個影響，并從第一角速度計51a測量的角速度數(shù)據(jù)和加速計51測量的加速度數(shù)據(jù)中消除離心力的影響。由于這種處理，不受離心力影響的相對速度被送至參照速度算術(shù)處理部分38c，這樣進一步提高實際速度的精度。另外，事先通過實驗，得出實際連接和第二角速度計測量的角速度數(shù)據(jù)之間離心力的影響，并準備一個表，參照該表執(zhí)行離心力修正，通過這樣，可使處理過程簡單而快速。
如上所述，通過在車輛慢變化時利用絕對速度和絕對方位作為低頻成分，和在車輛快變化時利用相對速度和相對方位作為高頻成分?？奢敵龈呔鹊膶嶋H速度和實際方位。
此外，在正常接收GPS信號時，可產(chǎn)生獲得修正速度和方位的修正數(shù)據(jù)，并且因此，即使不能接收GPS信號時，也能得出高精度實際速度和實際方位。
此外，因為不必如現(xiàn)有技術(shù)一樣，從車胎檢測車輛的速度，因此不必在車輛上采用一個特殊結(jié)構(gòu)來安放汽車導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，處理汽車導(dǎo)航的限制可以取消，而能引起汽車導(dǎo)航的大規(guī)模發(fā)展。本發(fā)明不僅能應(yīng)用于車輛，也能應(yīng)用于其它移動物體。
如上所述，在本發(fā)明中，當(dāng)GPS信號正常接收時，從內(nèi)置傳感器測量值得出的移動物體絕對移動數(shù)據(jù)和相對移動數(shù)據(jù)之間的差值數(shù)據(jù)可以得到。當(dāng)不能接收GPS信號時，利用該差值數(shù)據(jù)修正相對位置數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生實際移動數(shù)據(jù)。這樣，不管GPS信號接收條件如何，都能精確得到實際速度和實際方位。
此外，因為只須將內(nèi)置傳感器放置在移動物體中，就能獲得加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，而不需要來自移動物體的數(shù)據(jù)，例如一個車輛速度脈沖信號，這樣不需對移動物體做特別改動。
此外，因為可以消除移動物體中產(chǎn)生的離心力的影響和內(nèi)傳感器漂移的影響，可以進行進一步的精確測量，這樣移動物體的移動數(shù)據(jù)可更精確地產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種移動檢測裝置，包括GPS算術(shù)裝置，用于基于GPS信號產(chǎn)生第一移動數(shù)據(jù)，所述第一移動數(shù)據(jù)包括一個移動物體的一個絕對位置，一個絕對速度和一個絕對方位的變化成分；一個內(nèi)置傳感器，用于檢測移物體前進方向上產(chǎn)生的一個加速度和相對一個軸產(chǎn)生的一個角速度，該軸相對該前進方向有一個固定偏角；從所述內(nèi)置傳感器測量的加速度和角速度中產(chǎn)生第二移動數(shù)據(jù)的裝置，所述第二移動數(shù)據(jù)包括移動物體的一個相對位置，一個相對速度和一個相對方位的變化成分；和算術(shù)控制裝置，用于基于交互數(shù)據(jù)修正所述第一和第二移動數(shù)據(jù)，并通過計算，產(chǎn)生包括移動物體的一個實際位置，一個實際速度和一個實際方位的實際移動數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所提出的移動檢測裝置，其特征在于，當(dāng)正常接收GPS信號時，所述算術(shù)控制裝置保持此時產(chǎn)生的計算結(jié)果數(shù)據(jù)，而當(dāng)不能接收GPS信號時，利用所述保持的計算結(jié)果數(shù)據(jù)得出所述移動物體的實際移動數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所提出的移動檢測裝置，其特征在于，所述算術(shù)控制裝置包括離心力修正裝置，用于基于所述實際速度和所述角速度數(shù)據(jù)，相對于所述實際速度修正一個離心力的一個影響。
4.如權(quán)利要求1所提出的移動檢測裝置，其特征在于所述算術(shù)控制裝置包括修正裝置，用于分別從所述絕對速度和所述相對速度的一個差值，以及所述絕對方位和所述相對方位的一個差值中得出源于所述內(nèi)置傳感器的一個漂移的誤差，并且基于所述得出的誤差，分別修正所述相對速度和所述相對方位。
5.如權(quán)利要求1所提出的移動檢測裝置，其特征在于所述算術(shù)控制裝置包括一個速度算術(shù)處理部分，它包括(1)用于從一個組合速度的一個變化得出一個第一移動加速度(EGX)的裝置，該組合速度通過所述絕對速度(VGX)和所述相對速度(VX)的一個濾波組合獲得；和用于通過從加速度數(shù)據(jù)(AX)中減去第一移動加速度(EGX)而得出一個第一重力加速度(α)的裝置；(2)用于轉(zhuǎn)換角度數(shù)據(jù)(θ)為一個第二重力加速度(β)的裝置，該角度數(shù)據(jù)(θ)通過積分角速度數(shù)據(jù)(q)而獲得；(3)用于基于一個參照偏角將一個第三重力加速度(ax)轉(zhuǎn)換為一個第四重力加速度βx的裝置，該第三重力加速度通過第一和第二重力加速度(α，β)的一個濾波組合而獲得；(4)用于在第一重力加速度(α)和第四重力加速度(βx)之間得出一個誤差(ε)的裝置；和(5)用于利用所述誤差(ε)修正第二重力加速度(β)，通過修正后從加速度數(shù)據(jù)(Ax)中減去一個重力加速度而得出一個第二移動加速度(Exoff)，并通過積分第二移動加速度(Exoff)得出一個實際速度(V)的裝置。
6.如權(quán)利要求5所提出的移動檢測裝置，其特征在于，所述絕對速度(VGX)和所述相對速度(VX)的濾波組合，和所述第一和第二重力加速度(α，β)的濾波組合，在通過兩種不同帶寬的濾波器后，都具有數(shù)值的一種組合的形式。
7.如權(quán)利要求1所提出的移動檢測裝置，其特征在于，所述算術(shù)控制裝置包括一個方位算術(shù)處理部分，它包括(1)用于通過每單位時間，所述絕對方位(ψ G)和所述相對方位(ψI)的一個變化的一個濾波組合，得出一個組合相對方位(ψ)的裝置；和(2)用于選擇輸出一個第一實際方位和一個第二實際方位的裝置，該第一實際方位通過將基于順序更新的絕對方位(ψG)和相對方位(ψI)得出的所述組合相對方位(ψ)，與所述絕對方位(ψG)相加而得到，該第二實際方位通過將所述相對方位(ψI)和所述第一實際方位相加而得到。
8.如權(quán)利要求7所提出的移動檢測裝置，其特征在于，所述絕對方位(ψG)和所述相對方位(ψI)每單位時間變化的濾波組合，在通過兩種不同帶寬的濾波器之后，具有數(shù)值的一個組合的形式。
9.如權(quán)利要求1，5或7所提出的移動檢測裝置，其特征在于所述算術(shù)控制裝置包括一個位置算術(shù)處理部分，它包括(1)用于通過積分所述實際速度(Vm)得出一個移動距離(D)，并基于所述移動距離(D)和所述實際方位(ψm)得出一個緯度變化值和一個經(jīng)度變化值的裝置；和(2)用于在絕對位置無更新期間，使用所述緯度變化值和所述經(jīng)度變化值，通過修正順序更新的絕對位置(LOG，LAT)，產(chǎn)生實際位置(LONn，LATn)的裝置。
全文摘要
提出了一種利用GPS信號，不需要對移動物體進行一個特別改動，而能精確測量一個移動物體，如一個車輛的位置，速度和方位的移動檢測裝置。為實現(xiàn)它，在一個算術(shù)控制部分3，特別在一個速度算術(shù)處理部分41，一個方位算術(shù)處理部分42和一個位置的算術(shù)處理部分43，當(dāng)可以正常接收GPS信號時，基于GPS信號的絕對速度等和基于一個內(nèi)置傳感器5的相對速度等之間關(guān)系的數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)不能得到GPS信號時，關(guān)于移動物體實際速度和方位的數(shù)據(jù)，可利用前述涉及關(guān)系的數(shù)據(jù)和相對速度等得出。
文檔編號G01D5/16GK1164891SQ96190978
公開日1997年11月12日 申請日期1996年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月28日
發(fā)明者田野通保, 宮坂力 申請人:數(shù)據(jù)技術(shù)株式會社